1000kV特高压并联电抗器研制
宓传龙，汪德华，陈荣
（西安西电变压器有限责任公司）
摘要：特高压输电线路用1000kV并联电抗器具有目前国际上电压等级更高和容量特大的特点，本文结合特高压工程的技术要求，对研制1000kV电抗器的核心技术，包括主纵绝缘结构，漏磁场分析，消除局部过热，降低振动和噪声，温升计算和机械强度校核等方面进行了计算分析和阐述。
关键词：特高压；并联电抗器
1 引言
并联电抗器是高电压、远距离交流输电网络中不可缺少的重要设备，用来补偿长线上的充电电流，消弱电容效应，限制系统工频电压升高和操作过电压，消除同步发电机带空载长线时产生的自励磁现象。
特高压输电线路的充电功率大，就单位长度输电线路而言，它的充电功率约是500kV输电线路的4~5倍，需要特高压并联电抗器进行无功补偿。晋东南－南阳－荆门特高压试验示范工程线路无功补偿度达到100％，其中晋东南站3×320Mvar,南阳6×240Mvar,荆门3×200Mvar。320Mvar并联电抗器是特高压试验示范工程中的关键设备之一，前所未有的电压等级和特大容量，使研制面临巨大的困难。为此，开展特高压并联电抗器关键技术的研究，成为特高压试验示范工程建设的核心工作之一和重中之重。本文就特高压并联电抗器研制中的关键技术作简要的介绍。
2 1000kV电抗器主要技术参数
1）型式：户外、单相、油浸、间隙-铁芯
2）冷却方式：ONAF
3）额定电压：1100/3kV
4）额定频率：50Hz
5）额定容量：A型 320Mvar，B型 240Mvar，C型 200Mvar。
6）绝缘水平
首端：ACSD：1100kV 5min
BIL：2250kV
CI：2400kV
SI：1800kV
7）饱和特性：在0~140%额定电压时伏安特性为线性。对应于1.4倍和1.7倍额定电压的连线平均斜率不得小于非饱和区域磁化曲线斜率的50%。磁路完全饱和时，电抗器最终饱和电感值应为不小于额定电压下电感值的40%。
8）振动：在最高工作电压运行时
箱壁：≤50μm (峰值－峰值)
基座：≤20μm (峰值－峰值)
9）局部放电量：在规定的试验电压下绕组局部放电量小于100pC。
10）噪声水平：在2m处的应不大于75dB(A)。
3 核心技术研究
3.1 主、纵绝缘结构研究
满足运输要求是超大容量并联电抗器设计选择结构型式的重要条件，多柱串联和多柱并联都会使并联电抗器的绝缘结构更加复杂。在进行绝缘结构设计时，首先对各种试验电压作用下，电抗器绕组对地、线饼之间、线匝之间的电位分布和电场强度，以及出线装置的绝缘强度等进行计算和分析，并与同类产品进行比较、校核和验证，确保主、纵绝缘结构设计的合理性和可靠性。
1）主绝缘结构
试验示范工程用三种容量电抗器均采用两柱线圈串联，中部进线的结构，线圈中部和端部均处于高电场区域，给绝缘设计增加了很大难度。利用有限元程序对线圈电场进行计算和分析是必要的，确定主绝缘相关尺寸，利用纸筒合理分割油隙，配置符合电场等位线形状的角环，并放置在最佳的位置上。经过反复校核、分析和调整，消除电场集中，均化不均匀电场，提高主绝缘结构的电气强度和可靠性。主绝缘结构见图1。
由油和纸板构成的主绝缘结构，油隙的耐电强度决定了整个主绝缘结构的可靠性，尤其是线圈端部和线圈表面第一油隙的耐电强度是设计的重点，也是优化的重点。
图1 特高压电抗器主绝缘结构示意图
通过计算，找出线圈端部对旁轭、线圈中部对铁心和线圈中部对旁轭(见图2)第一油隙处的高电场强度区域(见图3)，经分析、优化的反复过程，最终满足许用场强和绝缘裕度的要求。考虑特高压工程的重要性，通常设计裕度选择大于20%。
2）纵绝缘计算
两柱线圈串联结构，能够使特高压并联电抗器获得更好的耐冲击特性。首端为柱I线圈，采用了全纠结结构，末端为柱II线圈，采用了纠结连续式结构，通过多根并联导线间的交错插花进一步增大了线圈的纵向电容。经过计算、校核分析和优化，线圈的冲击电压分布是合理的，场强控制有足够的裕度，这在后来的波分布测量和实际试验中都验证了设计结果的可靠性。同时，在线圈匝间场强校核中，给予导线绝缘也留有足够的绝缘裕度。
3）引线结构
1000kV并联电抗器的特高压出线装置不仅要求具有可靠的绝缘，还要求适应反复拆卸和装配的需要（见图4）。特高压出线装置，是一个由油和纸
图3 1195kV DIL电压作用下的电场分布
A区域电力线分布 B区域电力线分布
C区域电力线分布
杂的重要部件，其绝缘结构类似于主绝缘结构的要求，通常行业上称之为引线绝缘。同样需要进行大量反复的计算、校核、分析和优化，较为现实的方法还是用二维电场来计算，即分别对均压球、屏蔽铜管等关键部位进行综合的电场强度计算和校核（见图5）。
图4 特高压出线装置3D示意图
(a) 电场等位线
(b) 绝缘强度分析
图5 特高压出线装置均压球在1195kV BIL 电压下的电场
计算
通过计算、分析以及模型验证，特高压出线装置的绝缘结构是可靠的。
3.2 漏磁场分析及消除局部过热的措施
并联电抗器难以治理的局部过热，主要是由其内部漏磁引起的。漏磁较其它输变电产品大是并联电抗器的特点，因此，对漏磁的治理和应对局部过热的措施一直是并联电抗器研究的主要课题。
特高压并联电抗器的容量更大，漏磁也更大，内部结构复杂引起了磁场分布更加复杂。三维磁场、涡流场和温度场的计算已有理想的方法和程序，在详细计算的基础上完成分析和结构优化。首先引导漏磁配合隔磁措施防止金属结构件过热；次之，建立良好的散热系统，避免散热不畅和油流死区。电屏蔽和磁屏蔽复合可有效控制漏磁，防止局部过热的发生，当然选择适宜的导线截面以及使用无磁材料等，都有助于减少漏磁引起的局部过热和降低附加损耗。
图6 电抗器磁场分布图
图7 夹件中的涡流场分布云图
3.3 降低振动和噪声措施
铁心饼与间隙材料构成的铁心柱，由磁致伸缩和铁心饼间的电磁力引起振动产生噪声。铁心饼间的电磁力可以用下面公式作简单计算：
2
2
B A
F
μ
=
式中：A为铁心饼的面积；B为铁心饼中的磁密。
由式得到，铁心饼间的电磁力与感应强度的平方和铁心饼截面积成正比，显然磁密越高，铁心直径越大，电抗器的噪音也越大。振动与噪音是对一对孪生兄弟，几乎同生存。治理其一，另一个同时可以获得缓解；两个同治，效果会更好。较大的铁心截面积，需要较大的压紧力来保障铁心的整体性，但此时需特别注意防止产生近似于2倍工频的固有频率。实际应用中，必须有高于200Hz的固有频率，才能减小振幅的放大系数，避免谐振。所以使用弹性模数较高的气隙垫块，承受足够大的压紧力，也是降噪减振的方法之一。除减弱振源之外，采用隔振和减振措施也是必要的，达到进一步降低振动和噪声的目的。特高要并联电抗器采取的减振和降噪措施有：
1）合理控制铁心的工作磁密Bm；
2）选择合理的铁心结构，避免固有频率接近铁心的自振频率；
3）使用弹性压紧装置，保证铁心饼有足够的压紧力，增加整体的刚性；
4）提高各部件的刚度和强度；
5）在铁心和油箱中增设隔振、减振装置。
除此之外，为了获得更好的降噪效果，针对晋
